JP5793375B2

JP5793375B2 - 二段過給システム

Info

Publication number: JP5793375B2
Application number: JP2011192396A
Authority: JP
Inventors: 和真直井
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2031-09-05
Also published as: JP2013053557A

Description

本発明は、二段過給システムに関するものである。

近年、過給システムのダウンサイジングやトルクアップを実現するために、小径の高圧段ターボチャージャを採用した二段過給システムが検討されており、この種の二段過給システムにおいては、図４に示す如く、エンジン１の排気マニホールド２から送出される排気７により高圧段タービン３を作動させ且つ高圧段コンプレッサ４で圧縮した吸気１１をエンジン１の吸気マニホールド５へ送給する高圧段ターボチャージャ６と、該高圧段ターボチャージャ６の高圧段タービン３から送出される排気７により低圧段タービン８を作動させ且つ低圧段コンプレッサ９で圧縮した吸気１１を前記高圧段コンプレッサ４へ送給する低圧段ターボチャージャ１０とが備えられている。

更に、前記低圧段ターボチャージャ１０の低圧段コンプレッサ９の吐出側と前記高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ４の吸入側との間の吸気流路には、インタクーラ１２が介装されており、前記高圧段コンプレッサ４の吐出側とエンジン１の吸気マニホールド５との間の吸気流路には、アフタクーラ１３が介装されている。

また、エンジン排気流路の高圧段タービン３よりも上流側（具体的には排気マニホールド２）から吸気流路のアフタクーラ１３よりも下流側（具体的には吸気マニホールド５）へ至るＥＧＲ配管１４が設けられ、該ＥＧＲ配管１４には、エンジン排気流路から分流した排気７を冷却するＥＧＲクーラ１５と、吸気流路へ還流すべき排気７の流量を調整するＥＧＲバルブ１６とが設けられている。

尚、ここに図示している例では、高圧段ターボチャージャ６を可変ノズルターボで構成した場合を例示しており、必要に応じて高速回転域等で高圧段タービン３のノズルベーン開度を絞り込むことにより、排気抵抗を増して排気マニホールド２の圧力を高め得るようにしてある。

而して、斯かる二段過給システムにおいては、エンジン１が稼動状態である時に、排気マニホールド２から送出される排気７が、高圧段タービン３へ流入して高圧段コンプレッサ４を駆動した後、低圧段タービン８へ流入して低圧段コンプレッサ９を駆動し、該低圧段コンプレッサ９に流入して圧縮された吸気１１は、インタクーラ１２を経て高圧段コンプレッサ４に送給され、該高圧段コンプレッサ４で再び圧縮され、アフタクーラ１３を経て吸気マニホールド５へ送給されるので、シリンダへの吸気１１の送給量が増加し、１サイクル当たりの燃料噴射量を多くすれば、エンジン１の出力を高めることができる。

また、前記排気７の一部は、排気マニホールド２からＥＧＲ配管１４へ流入し、ＥＧＲクーラ１５で冷却され且つＥＧＲバルブ１６で流量調整が行われた排気７が、吸気１１と一緒に吸気マニホールド５へと送給され、これによりシリンダ内の燃焼温度の低下が図られてＮＯxの発生が低減される。

尚、前述の如き二段過給システムと関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、下記の特許文献１、２等が既に存在している。

特開２００５−１４７０３０号公報特開平５−１８００８９号公報

このように小径の高圧段ターボチャージャ６でダウンサイジングやトルクアップを実現した二段過給システムにおいては、エンジン１の回転数や負荷により二つのターボチャージャの使い方が異なり、夫々の過給圧も異なるため、インタクーラ１２とアフタクーラ１３の放熱量の大小が逆転する領域が存在するが、これらインタクーラ１２及びアフタクーラ１３は、車両の搭載スペースにより大きさが限定される上、放熱量が逆転しても夫々の放熱能力を増減することができなかったため、十分に放熱できない領域が生じて該領域でエンジン１の性能を低下させてしまうという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、車両への搭載スペースを大きくすることなくインタクーラ及びアフタクーラの放熱能力を増減してエンジン性能と車両搭載性の両立を図り得るようにすることを目的としている。

本発明は、エンジンから送出される排気によって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段コンプレッサで圧縮した吸気をアフタクーラを介し冷却してエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの高圧段タービンから送出される排気によって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気をインタクーラを介し冷却して前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとを備えた二段過給システムであって、前記アフタクーラ及び前記インタクーラに切替クーラを追加装備し、前記低圧段コンプレッサからの吸気を分流して前記切替クーラを経由させてから前記インタクーラからの吸気に合流する流れ、若しくは、前記高圧段コンプレッサからの吸気を分流して前記切替クーラを経由させてから前記アフタクーラからの吸気に合流する流れのうち何れか一方に吸気系路を切り替え得るように構成したことを特徴とするものである。

而して、アフタクーラがインタクーラより放熱量が大きい条件でエンジンが運転されている時に、高圧段コンプレッサからの吸気を分流して切替クーラに導入すると共に、該切替クーラを経た吸気を前記アフタクーラからの吸気に合流してエンジンへ送給すると、前記切替クーラがアフタクーラとして機能する結果、アフタクーラの放熱能力が大幅に向上されることになる。

また、インタクーラがアフタクーラより放熱量が大きい条件でエンジンが運転されている時には、低圧段コンプレッサからの吸気を分流して切替クーラに導入すると共に、該切替クーラを経た吸気を前記インタクーラからの吸気に合流して高圧段コンプレッサへ送給すると、前記切替クーラがインタクーラとして機能する結果、インタクーラの放熱能力が大幅に向上されることになる。

また、本発明をより具体的に実施するに際しては、切替クーラの入側の吸気流路を二股状に分岐して一方をインタクーラの入側の吸気流路に対し該吸気流路への逆流を阻止し得るよう第一の逆止弁を介して接続し且つ他方をアフタクーラの入側の吸気流路に対し第一の開閉弁を介して接続すると共に、切替クーラの出側の吸気流路を二股状に分岐して一方をインタクーラの出側の吸気流路に対し第二の開閉弁を介して接続し且つ他方をアフタクーラの出側の吸気流路に対し切替クーラへの逆流を阻止し得るよう第二の逆止弁を介して接続することが好ましい。

このようにすれば、アフタクーラがインタクーラより放熱量が大きい条件でエンジンが運転されている時に、第一の開閉弁を開け且つ第二の開閉弁を閉じると、アフタクーラの入側の吸気流路から吸気が分流されて切替クーラに導入されると共に、該切替クーラを経た吸気が前記アフタクーラからの吸気に合流してエンジンへ送給されることになり、高圧段コンプレッサからの吸気が分流して切替クーラを経由した後に前記アフタクーラからの吸気に合流してエンジンへ送給される流れが形成される。

この際、高圧段コンプレッサの出側圧力は低圧段コンプレッサの出側圧力よりも高くなっているが、第一の逆止弁によりインタクーラの入側の吸気流路へ向けた吸気の逆流が阻止されるので、アフタクーラの入側の吸気流路から分流した吸気は全て切替クーラに導入されることになる。

また、インタクーラがアフタクーラより放熱量が大きい条件でエンジンが運転されている時には、第一の開閉弁を閉じ且つ第二の開閉弁を開けると、インタクーラの入側の吸気流路から吸気が分流されて切替クーラに導入されると共に、該切替クーラを経た吸気が前記インタクーラからの吸気に合流して高圧段コンプレッサへ送給されることになり、低圧段コンプレッサからの吸気が分流して切替クーラを経由した後に前記インタクーラからの吸気に合流して高圧段コンプレッサへ送給される流れが形成される。

この際、アフタクーラの出側圧力は切替クーラの出側圧力よりも高くなっているが、第二の逆止弁により切替クーラへ向けた吸気の逆流が阻止されるので、アフタクーラを経た吸気が切替クーラへ逆流することなく全てエンジンへ導入されることになる。

本発明の二段過給システムによれば、切替クーラを吸気流路の切り替えによりアフタクーラとしてもインタクーラとしても利用することができ、アフタクーラがインタクーラより放熱量が大きい条件でエンジンが運転されている時に、切替クーラをアフタクーラとして機能させてアフタクーラの放熱能力を大幅に向上することができると共に、インタクーラがアフタクーラより放熱量が大きい条件でエンジンが運転されている時には、切替クーラをインタクーラとして機能させてインタクーラの放熱能力を大幅に向上することができるので、車両への搭載スペースを大きくすることなくインタクーラ及びアフタクーラの放熱能力を増減してエンジン性能と車両搭載性の両立を図ることができるという優れた効果を奏し得る。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。アフタクーラがインタクーラより放熱量が大きい条件を示すグラフである。インタクーラがアフタクーラより放熱量が大きい条件を示すグラフである。従来の二段過給システムの一例を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図４と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

図１に示す如く、本形態例においては、先に図４で説明した従来例と略同様に構成した二段過給システムに関し、アフタクーラ１３及びインタクーラ１２に切替クーラ１７が追加装備されており、しかも、これら三つの吸気冷却器が従来のアフタクーラ及びインタクーラの搭載スペース内に収まるように夫々の大きさが調整されている。

更に、前記低圧段コンプレッサ９からの吸気１１を分流して前記切替クーラ１７を経由させてから前記インタクーラ１２からの吸気１１に合流する流れ、若しくは、前記高圧段コンプレッサ４からの吸気１１を分流して前記切替クーラ１７を経由させてから前記アフタクーラ１３からの吸気１１に合流する流れのうち何れか一方に吸気系路を切り替え得るように構成されている。

即ち、前記切替クーラ１７の入側の吸気流路１８は二股状に分岐されており、その一方がインタクーラ１２の入側の吸気流路１９に対し該吸気流路１９への逆流を阻止し得るよう逆止弁２０を介して接続されていると共に、前記切替クーラ１７の入側の二股状に分岐された吸気流路１８の他方がアフタクーラ１３の入側の吸気流路２１に対し開閉弁２２を介して接続されている。

また、前記切替クーラ１７の出側の吸気流路２３も二股状に分岐されており、その一方がインタクーラ１２の出側の吸気流路２４に対し開閉弁２５を介して接続されていると共に、前記切替クーラ１７の出側の二股状に分岐された吸気流路２３の他方がアフタクーラ１３の出側の吸気流路２６に対し切替クーラ１７への逆流を阻止し得るよう逆止弁２７を介して接続されている。

而して、低速時等におけるアフタクーラ１３がインタクーラ１２より放熱量が大きい条件（図２参照）でエンジンが運転されている時に、開閉弁２２を開け且つ開閉弁２５を閉じると、アフタクーラ１３の入側の吸気流路から吸気１１が分流されて切替クーラ１７に導入されると共に、該切替クーラ１７を経た吸気１１が前記アフタクーラ１３からの吸気１１に合流してエンジンへ送給されることになり、高圧段コンプレッサ４からの吸気１１が分流して切替クーラ１７を経由した後に前記アフタクーラ１３からの吸気１１に合流してエンジンへ送給される流れが形成され、前記切替クーラ１７がアフタクーラ１３として機能する結果、アフタクーラ１３の放熱能力が大幅に向上されることになる。

この際、高圧段コンプレッサ４の出側圧力は低圧段コンプレッサ９の出側圧力よりも高くなっているが、逆止弁２０によりインタクーラ１２の入側の吸気流路１９へ向けた吸気１１の逆流が阻止されるので、アフタクーラ１３の入側の吸気流路２１から分流した吸気１１は全て切替クーラ１７に導入されることになる。

また、インタクーラ１２がアフタクーラ１３より放熱量が大きい条件（図３参照）でエンジンが運転されている時には、開閉弁２２を閉じ且つ開閉弁２５を開けると、インタクーラ１２の入側の吸気流路から吸気１１が分流されて切替クーラ１７に導入されると共に、該切替クーラ１７を経た吸気１１が前記インタクーラ１２からの吸気１１に合流して高圧段コンプレッサ４へ送給されることになり、低圧段コンプレッサ９からの吸気１１が分流して切替クーラ１７を経由した後に前記インタクーラ１２からの吸気１１に合流して高圧段コンプレッサ４へ送給される流れが形成され、前記切替クーラ１７がインタクーラ１２として機能する結果、インタクーラ１２の放熱能力が大幅に向上されることになる。

この際、アフタクーラ１３の出側圧力は切替クーラ１７の出側圧力よりも高くなっているが、逆止弁２７により切替クーラ１７へ向けた吸気１１の逆流が阻止されるので、アフタクーラ１３を経た吸気１１が切替クーラ１７へ逆流することなく全てエンジン１へ導入されることになる。

従って、上記形態例によれば、切替クーラ１７を吸気流路の切り替えによりアフタクーラ１３としてもインタクーラ１２としても利用することができ、アフタクーラ１３がインタクーラ１２より放熱量が大きい条件でエンジンが運転されている時に、切替クーラ１７をアフタクーラ１３として機能させてアフタクーラ１３の放熱能力を大幅に向上することができると共に、インタクーラ１２がアフタクーラ１３より放熱量が大きい条件でエンジンが運転されている時には、切替クーラ１７をインタクーラ１２として機能させてインタクーラ１２の放熱能力を大幅に向上することができるので、車両への搭載スペースを大きくすることなくインタクーラ１２及びアフタクーラ１３の放熱能力を増減してエンジン性能と車両搭載性の両立を図ることができる。

尚、本発明の二段過給システムは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１エンジン
３高圧段タービン
４高圧段コンプレッサ
５吸気マニホールド
６高圧段ターボチャージャ
７排気
８低圧段タービン
９低圧段コンプレッサ
１０低圧段ターボチャージャ
１１吸気
１２インタクーラ
１３アフタクーラ
１７切替クーラ
１８吸気流路
１９吸気流路
２０逆止弁（第一の逆止弁）
２１吸気流路
２２開閉弁（第一の開閉弁）
２３吸気流路
２４吸気流路
２５開閉弁（第二の開閉弁）
２６吸気流路
２７逆止弁（第二の逆止弁）

Claims

エンジンから送出される排気によって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段コンプレッサで圧縮した吸気をアフタクーラを介し冷却してエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの高圧段タービンから送出される排気によって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気をインタクーラを介し冷却して前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとを備えた二段過給システムであって、前記アフタクーラ及び前記インタクーラに切替クーラを追加装備し、前記低圧段コンプレッサからの吸気を分流して前記切替クーラを経由させてから前記インタクーラからの吸気に合流する流れ、若しくは、前記高圧段コンプレッサからの吸気を分流して前記切替クーラを経由させてから前記アフタクーラからの吸気に合流する流れのうち何れか一方に吸気系路を切り替え得るように構成したことを特徴とする二段過給システム。
切替クーラの入側の吸気流路を二股状に分岐して一方をインタクーラの入側の吸気流路に対し該吸気流路への逆流を阻止し得るよう第一の逆止弁を介して接続し且つ他方をアフタクーラの入側の吸気流路に対し第一の開閉弁を介して接続すると共に、切替クーラの出側の吸気流路を二股状に分岐して一方をインタクーラの出側の吸気流路に対し第二の開閉弁を介して接続し且つ他方をアフタクーラの出側の吸気流路に対し切替クーラへの逆流を阻止し得るよう第二の逆止弁を介して接続したことを特徴とする請求項１に記載の二段過給システム。